Aplicación del modelo de Stewart al estudio del equilibrio ácido-base

(Reseña publicada en la WEB de la SEPEAP el 30 de Octubre de 2009)

La interpretación de una acidosis o una alcalosis precisa de un conocimiento preciso de la patofisiología de estos trastornos. A la interpretación clásica de la regulación del equilibrio ácido-base que se desprende de la aplicación de la ecuación de Henderson-Hasselbach, le ha seguido en los últimos años la aplicación de la teoría de Stewart o del gradiente electroquímico. La aproximación clásica mediante la ecuación de Henderson-Hasselbach, considera que el pH es el resultado de las variaciones del bicarbonato plasmático  y del PaCO₂. Sien embargo la interpretación clásica ignora:

• La dependencia matemática que existe entre bicarbonato y PaCO₂.
• Presencia de tampones no volátiles y diferentes al bicarbonato, como son las proteínas plasmáticas.
• El papel de los ácido débiles (fosfato, albuminato)

El exceso de bases de Sigaard-Andersen se define como la cantidad de ácidos o de bases fuertes necesarios para mantener el pH en 7,40 en una muestra de sangre oxigenada a una temperatura de 37º y con una PaCO₂ de 40 mmHg. Si el pH sanguíneo es de 7,40 y la PaCO₂ es 40, el exceso de bases será igual a cero.

En T. J. Morgan. The meaning of acid-base abnormalities in the intensive care unit: part III -- effects of fluid administration. Crit Care 9 (2):204-211, 2005 y M. M. Boniatti, P. R. Cardoso, R. K. Castilho, and S. R. Vieira. Acid-base disorders evaluation in critically ill patients: we can improve our diagnostic ability. Intensive Care Med 35 (8):1377-1382, 2009; se revisan algunos d estos conceptos..

El concepto electroquímico de Stewart fue formulado por P. Stewart en 1983. En esta aproximación las variaciones del pH no se consideran como una variable independiente; su valor depende del grado de disociación del agua plasmática, que esta influida por varios tipos de solutos físicos y químicos, por lo que la concentración final de protones es el resultado de tres fundamentos físicoquímicos fundamentales:

• El principio de la electroneutralidad.
• La conservación de las masas.
• El principio de disosiación electroquímico.

Considerando estos principios el pH de la sangre depende de tres variables independientes:

• La diferencia de cargas entre todos los cationes fuertes (Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺) y los aniones fuertes (Cl^- y lactato^- ).
• La PaCO₂.
• La masa total de ácidos débiles.

Según este modelo el pH y el bicarbonato son las variables obligatoriamente dependientes de las modificaciones de las otras variables independientes. De los tres grandes grupos de variables enumerados, los iones fuertes pueden ser producidos o destruidos, pero los iones lábiles H⁺ y OH^- pueden ser generados o consumidos en función del grado de disociación del agua plasmática. Por tanto, un aumento del Cl- entraña un aumento de H⁺, y un aumento del Na⁺ conduce a una disminución de H⁺. El modelo de Stewart, no sólo tiene un interés conceptual, permite comprender los mecanismos fisiopatológicos de los trastornos del equilibrio ácido-base y de los tratamientos utilizados.

SID/ATOT	Anormalidad	Resultado
SID	Aumentado	Alcalosis metabólica
SID	Disminuido	Acidosis metabólica
ATOT	Aumentado	Acidosis metabólica
ATOT	Disminuido	Alcalosis metabólica

Según el modelo clásico de Henderson-Hasselbach, la disminución del bicarbonato plasmático induce un acúmulo de H⁺ que genera una disminución del pH. Estas alteraciones pueden resultar de un acumulo de ácidos orgánicos (lactato o cuerpos cetónicos) o del cloro, o de una pérdida de bicarbonatos (digestiva o renal). En el modelo de Stewart, la acidosis metabólica resulta de un aumento de disociación del agua plasmática que motiva un aumento de H+ en sangre. Esta última puede ser generada por una disminución de la diferencia entre cationes y aniones o un aumento de la concentración ácidos lábiles.

Una de las aproximaciones mas utilizadas de la teoría de Stewart consiste en analizar los desequilibrios ácido-base a través del valor del ión gap (SIG). Elementos como Na⁺, K⁺, Cl^-, Mg⁺⁺ y Ca⁺⁺, estan presentes en el organismo completamente ionizados y a un pH fisiológico otros elementos como sulfato, lactato y betahidrozibutirato pueden influir en los valores de pH; Stewart describe estos elementos como iones fuertes. El SIG es una estimación de los iones no medidos similar al anion gap (AG) mas conocido y utilizado.

 AG= (Na⁺ + K⁺) – (Cl^- + CO3H^-)

 SIG = AG – A^-

Donde A^- = 2.8 (Albúmina g/dl) + 0.6 (Fosfato mg/dl); medido a pH 7.4.

Otro concepto que introduce la ecuación de Stewart es la diferencia de iones (SID):

 SID = CO₃H^- + A^-

Se consideran igualmente la diferencia de iones aparente (SIDa)

 SIDa = Na⁺ + K⁺ + Ca⁺⁺ + Mg⁺⁺ - Cl^- - Lactato

En el plasma normal el SIDa es igual a 40-42 mEq/l, similar a la diferencia de iones efectiva (SIDe)

Como el anión gap, el SIG es en condiciones normales próximo a cero. Las situaciones de acidosis metabólica con altos valores de SIG se deben a la presencia de aniones no medidos. La acidosis metabólica con SIG próximo a cero coincide con retención de cloruro.

Según el esquema de Stewart la acidosis metabólica resulta de una disminución de SID o un aumento de SIG (cuerpos cetónicos, lactato, salicilato, metanol, …), o bien una disminución tanto de SID como de SIG. La alcalosis metabólica se debe a una disminución de la albúmina sérica (cirrosis, síndrome nefrótico) y aumento de SID por pérdidas de Cl^- o aportes extras de Na⁺ (como citrato, lactato o acetato).

 En el modelo clásico, la concentración normal de hidrogeniones en el organismo se mantiene de forma constante, con mínimas variaciones. Se considera normal la cifra de 40 ± 5 nEq/L (nEq/L = nanoequivalentes/L). Es decir, que los limites normales de (H+) en sangre oscilan entre 35-45 nEq/L. Expresado en pH, la cifra oscila entre 7,35-7,45 (7,4 la media) y 6,80-7,80 los límites extremos compatibles con la vida. A fin de poder mantener las cifras de pH, actúan en primer término los buffer, amortiguadores o tampones. Junto a este mecanismo compensatorio rápido, existen otros dos más lentos, pero más eficaces, como son las funciones pulmonar y renal. Acidosis es la situación en la que está aumentada la concentración de hidrogeniones. En la alcalosis la concentración está disminuida. Acidosis o alcalosis son compensadas cuando se mantienen las cifras de pH a costa de modificarse los tampones. Acidosis o alcalosis descompensada es aquella en la que las sustancias y los mecanismos reguladores son incapaces de mantener las cifras de pH en límites normales. La evaluación del equilibrio ácido base basada en la determinación de bicarbonato, ácidos débiles (lactato) y exceso de bases puede ser satisfactoria en situaciones no complicadas; sin embargo, en pacientes críticos este método puede pecar se simplista y debería recurrirse a la ecuación de Stewart, por considerar la situación de la mayoría de los elementos que repercuten en el pH.

Uno de los principios que ilustra el esquema de Stewart en los trastornos ácido-base es que todos ellos, cualquiera que sea su causa derivan de una alteración en la diferencia de iones (SID) o/y de la concentración de ácidos no volátiles (A_TOT). En su defecto podemos acudir al cálculo del exceso de bases estándar (SBE), concepto desarrollado por Siggaard y Andersen, siendo su rango de diferencia de -3 a +3 mEq/l.:

 SBE = 0.93 × {[HCO3^–] + 14.84 × (pH – 7.4) – 24.4}

 Un SBE menor de -3 mEq/l es indicativo de acidosis metabólica, valores por encima de +3 mEq/l indican alcalosis metabólica.

Debe tenerse en cuenta, y frecuentemente no se piensa en ello, que la administración  de fluidos intravenosos en el transcurso de muchas intervenciones terapéuticas origina un equilibrio en el medio vascular entre los iones y el agua administrados con los fluidos y el plasma del paciente, dicho queilibrio alcance a las membranas celulares, alcánzadose un equilibrio con el contenido intracelular. Según la ecuación de Stewart, la administración de fluidos intravenosos, aún a osmolaridades isotónicas con el plasma  modifica el SIF y diluye la concentración plasmática A_TOT determinantes finales del equilibrio ácido-base. El efecto del CO₂, debemos considerarlo separadamente ya que no tiene efectos sobre SID ni A_TOT.

La infusión de grandes volúmenes de cristaloides puede originar alcalosis metabólica en aplicación de la ecuación de Stewart, ya que se produce una dilución de A_TOT en plasma, en consecuencia una disminución de su concentración; Por otro lado, la infusión de concentraciones isotónicas puede no alterar la diferencia iones (SID). Algunos autores han documentado que la infusión de grandes volúmenes de suero salino puede ocasionar acidosis metabólica, el mecanismo no es la dilución de las concentraciones de bicarbonato como normalmente se ha propuesto. El SID de la solución salina es cero, ya que la concentración de Na+ es exactamente la misma que la concentración de Cl-; sin embargo a falta de infusión de otros iones, el suero salino infundido en grandes volúmenes puede disminuir el valor de SID plasmático por dilución. Esta situación puede compensar la alcalosis metabólica que se origina por dilución del A_TOT. Todas estas consideraciones deben tenerse en cuenta cuando valoramos a un paciente con acidosis metabólica y anion gap normal. La disminución del SID plasmática puede ser mas marcada cuando se administran soluciones hipotónicas de ClNa (Sueros glucosalinos) que poseen igualmente un valor SID de cero, pero tienen menos concentraciones de Na⁺ y Cl^- (Cuadro 12.3.4); sin embargo, el equilibrio alcanzado con el medio intracelular y el mayor intercambio de agua entre plasma y célula tiene por efecto menor disminución total de SID cuando utilizamos soluciones hipotónicas; por lo que podríamos resumir de forma global que las soluciones hipotónicas tienen un efecto menos acidificante que los sueros isotónicos. Todas esta consideraciones teóricas, deben ser tenidas en cuenta en el contexto de los mecanismos reguladores hormonales y renales del sujeto, por lo que salvo en situaciones de concentración de volumen, las cantidades de líquidos requeridas para inducir modificaciones clínicamente relevantes son muy grandes, con riesgo de sobrecarga de volumen.

Algunos tipos de alcalosis metabólica están asociados con hipocaliemia; en estos casos la infusión de ClK es generalmente suficiente para revertir la alcalosis. Desde la perspectiva de Stewart, el efecto neto de la administración de ClK es la retención del anión Cl^- en plasma, dado que la mayoría del potasio y los defectos de potasio son intracelulares.  Ello supone un estímulo para la reducción del SID plasmático.

A diferencia de los cristaloides, la infusión de coloides presenta menos efectos sobre el equilibrio ácido base, que derivan en gran medida de los menores volúmenes de infusión requeridos  para obtener el mismo efecto hemodinámico, por otro lado la molécula de coloide es ligeramente ácida, por lo que la alcalosis metabólica producida por dilución de los ácidos débiles (A_TOT) se minimiza.

Dr. José Uberos Fernández